Филиппов Сергей Николаевич
аспирант кафедры методики обучения физике, Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена,
С.-Петербург
domserg@rambler.ru 

Научно-методические аспекты автоматизации учебного физического эксперимента 

Аннотация
Рассматриваются научно-методические аспекты автоматизации учебного физического эксперимента. Приводятся примеры конкретных реализаций компьютерных измерительных комплексов. 

Ключевые слова
автоматизация учебного эксперимента, физический эксперимент, компьютерный измерительный комплекс, инновационные технологии

 

Одним из кардинальных изменений физического образования становится его методологическая направленность. Необходимость изучения научной методологии вызвана не только научно-техническим прогрессом, но и коренным изменением характера научных знаний, самого процесса познания и взаимоотношения знания и познания.  

Модельный характер наших знаний приводит к сближению физического и математического компонентов развиваемых моделей. Характерной чертой научной деятельности является исключительная трудность, а порой и невозможность отделения физической и математической моделей при рассмотрении достаточно сложных реальных явлений [1].  

В  науке сформировалась единая методология вычислительной (компьютерной) физики как современная методология научного исследования, называемая математическим моделированием реальных природных явлений, основанная на развитых теоретико-экспериментальных подходах и информационном цикле вычислительного эксперимента.

 

Интеграция физического эксперимента и компьютерного моделирования основывается на определенной аналогии между вычислительным и натурным экспериментами. На компьютере (экспериментальной установке) проводятся вычисления (измерения), которые в дальнейшем анализируются для постановки новых экспериментов. Изучая на персональном компьютере (ПК) поведение модели, исследователь как бы испытывает саму природу (конструкцию, процесс), задавая ей вопросы и получая достаточно полные достоверные ответы. Действительно, опыт решения многих задач науки и техники убеждает, что искусно выполненная копия явления действительно может, в определенной степени, заменить его. 

Методы натурно-вычислительного эксперимента оказываются эффективными при использовании феноменологического подхода в моделировании, позволяющего определять параметры модели на основе надежных экспериментальных данных. Отметим, что эксперимент в реальном времени сводится к визуальному сравнению поведения реального и виртуального объектов, при этом моделирование становится более наглядным и демонстрирует единство структурной методологии физики.

 

Натурно-вычислительный эксперимент предполагает комплексное изучение явлений, поиск новых эффектов  методами компьютерного моделирования с последующей постановкой  натурного эксперимента (например, параметрический резонанс). На рис.1 иллюстрируется интегративный подход при изучении математического маятника. В данной задаче возможно увеличение числа феноменологических параметров при параметрическом возбуждении (периодическое воздействие на один из параметров системы). При модуляции длины подвеса с частотой близкой к удвоенной собственной частоте в отсутствии трения маятник раскачивается, наблюдается параметрический резонанс.

Без ограничения общности, достаточно рассмотреть уравнение вида: . Математическое моделирование параметрического резонанса приводит к известному уравнению Матьё:  при .

                                        

 

Рис. 1.  Компьютерное моделирование  в учебном физическом эксперименте

 

Вычислительная мощность ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой, даже очень сложной обработке. Сегодня можно добиться достойных результатов в области автоматизации школьного физического эксперимента, просто подключив небольшие  аналого-цифровые преобразователи к стандартным портам. На рынке есть готовые изделия, предлагаемые по приемлемой цене, но подобные устройства можно собрать и самостоятельно, руководствуясь определенными методическими рекомендациями [2]. 

Область применения виртуального прибора практически полностью определяется характеристиками программного обеспечения, в то время как характеристики интерфейсных устройств в большинстве случаев вполне понятны пользователю. Промышленные изделия подобного рода всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интерфейсом, позволяющим выбрать какой-либо режим с помощью клавиатуры или мыши через различные меню. В практике удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной экспериментальной задачи. 

Автоматизация физических исследований в реальном эксперименте интегрирует все структурные компоненты научной методологии: теоретическую, экспериментальную и вычислительную физику. Назовем этот методологический аспект автоматизации интегративным свойством автоматизации физического эксперимента. Другими словами, автоматизация эксперимента - это не просто включение компьютера в экспериментальную установку, это интеграции методов научных исследований. 

Схема 1. Интеграция методов научных исследований  в физическом эксперименте 

В рамках автоматизации эксперимента происходит консолидация основных физических методов научного исследования (схема 1), что позволяет, как увеличить степень понимания теоретических особенностей экспериментальной деятельности, так и избавится от необходимости часами выполнять монотонные действия по фиксации экспериментальных данных. Одним из самых главных достоинств компьютеризированного эксперимента является автоматизация получения, обработки и анализа данных, представления отчетов о результатах эксперимента в наглядном виде. 

Применение компьютера для измерений в учебном физическом эксперименте является весьма актуальной методической проблемой [3]. Конечно, принцип использования компьютера в эксперименте сам по себе не нов, однако все существующие промышленные приборы, превращающие компьютер в измерительный комплекс (например, CoachLab II, PhilipHarris.), являются «закрытыми» системами. Они обеспечивают выполнение только тех функций, которые заложены в них производителем. 

Заслуживают внимания приборы и технологии компьютерных экспериментов, разработанные на кафедре общей и экспериментальной физики РГПУ им. А. И. Герцена, которые обладают рядом достоинств:

• универсальность прибора, позволяющая включать любой компьютер в измерительный комплекс, обладающий высокой чувствительностью и точностью;

• создание «открытой» измерительной системы, т. е. системы, выполняемые функции и алгоритм работы которой задается непосредственно пользователем;

• доступность и дешевизна компонентов системы, что позволило бы при необходимости повторить данную систему в дальнейшем без использования какого-либо специального оборудования и средств;

• программное обеспечение разработано в популярной среде Borland Pascal.

В качестве демонстрации возможностей комплекса можно предложить два эксперимента при изучении «Электродинамики» (рис. 2).

Рис.2 Компьютерный измерительный комплекс  в физическом лабораторном практикуме

 

1.     Получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) линейного (активное сопротивление) и нелинейного (полупроводниковый диод) элементов.

2.      Изучение зависимости ВАХ  p-n перехода от температуры и вычисление ширины запрещенной зоны полупроводника.

 

Для проведения этого эксперимента можно выбрать германиевый плоскостной диод. Германий имеет ширину запрещенной зоны 0.66 эВ, что обусловливает при комнатных температурах ток насыщения запорного направления порядка нескольких микро-ампер. В качестве датчика температуры использовалась медь-константановая термопара с коэффициентом термо- ЭДС при температуре 20⁰С составляет 40 мкВ/K.  

В качестве примера автоматизации лабораторного практикума на кафедре физической электроники РГПУ им. А.И.Герцена при изучении физики конденсированного состояния приведем задачу измерения составляющих комплексной диэлектрической проницаемости металлополимерной конденсаторной структуры в рамках диэлектрической спектроскопии [4]. В задачу исследования входило определение частотной зависимости диэлектрических параметров металлополимерного соединения на основе мономера [NiSalen].

Рис.3 Блок-схема компьютерного измерительного комплекса 

Аппаратная часть используемой измерительной системы (рис.3) включала в себя измеритель иммитанса Е7-20, позволяющий фиксировать значение диэлектрических параметров образцов в частотном интервале  QUOTE   Гц непосредственно на жидкокристаллическом дисплее и осуществлять передачу данных на персональный компьютер, посредством стандартного порта RS232C. 

Программная часть экспериментальной установки состоит из авторского ПО, работающего под управлением операционной системы Windows ХР с использованием возможностей Windows API (Application Programming Interface). На рис. 4 представлено изображение пользовательского интерфейса программы, включающего следующие основные блоки: дистанционного управления, измерения, автоматизации и графического представления полученных данных.

Рис. 4. Интерфейс программы для измерения диэлектрических характеристик образцов

На рис.5 и рис.6 представлены результаты изучения частотной дисперсии диэлектрических параметров полимерной структуры с включением атомов Ni, полиномиально интерполированные в рамках математического пакета Origin. Анализ полученных данных показывает, что в данной структуре диэлектрический отклик на низких частотах может быть обусловлен повышением динамики мономерных комплексов [NiSalen], выступающих в качестве структурных единиц полимера. С увеличением частоты в релаксационном процессе предположительно начинают принимать участие отдельные элементы мономерных единиц полимерной цепи (фенильные кольца), включающие группы СН.

 

Рис. 5 Частотная зависимость емкости исследуемого образца	Рис. 6. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь исследуемого образца

 

Таким образом, разработанная методика автоматизации учебного физического эксперимента позволяет оптимизировать методы экспериментальной физики при изучении диэлектрической спектроскопии, интегрируя знания вычислительной физики, общего курса физики и спецкурсов физики конденсированного состояния. 

Литература

1. Кондратьев А.С., Филиппов М.Э. Физические задачи и математическое моделирование реальных процессов: Учебно-методическое пособие для учителя.^_ СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2001.

2. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Пер. с франц..- 2-е изд., испр.^_ М.:ДМК, 1999.

3. Кондратьев А.С., Лаптев В.В., Ходанович А.И. Тенденции развития и приоритетные направления информатизации образования на современном этапе. Вестник СЗО РАО / Образование и культура Северо-Запада России: Выпуск 7. Тенденции в развитии и модернизации современного образования.- СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2002.

4. Аванесян В.Т., Потачев С.А., Пучков М.Ю., Филиппов С.Н. Компьютеризация физического эксперимента при исследовании диэлектрических характеристик образцов.- СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2008.

Рекомендовано к публикации:
А.И.Ходанович, доктор педагогических наук, научный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной коллегии

------

Sergey N. Filippov
postgraduate student, faculty of physics, AI. Herzen State Pedagogical University of Russia, St.Petersburg
domserg@rambler.ru 

Scientific and methodological aspects of automation of educational physics experiment 

The article deals with scientific and methodological aspects of the automation of school physical experiment. Examples of specific implementations of automated measurement systems. 

Keywords: automation of the experiment, physical experiment, the computer of the measuring complex, innovative technologies